Эксперимент. Автобалластные системы стабилизации автономных микроГЭС дают основание о возможности применения их при построении микроГЭС с асинхронными генераторами. Возможны два основных варианта построения автономных электростанций на основе автобалластных систем стабилизации. Обеспечить устойчивый режим работы микроГЭС с асинхронными генераторами при таком построении достаточно сложно. Отличия мощностей балластных нагрузок, коэффициентов усиления, постоянных времени и других параметров гидроагрегатов и стабилизирующих систем приводят к изменениям суммарной нагрузки микроГЭС в широких пределах. [2]

Применение в микроГЭС асинхронных генераторов с ёмкостным возбуждением ограничивают возможности по регулированию возбуждения. При этом величина напряжения напрямую зависит от диапазона изменения эквивалентной нагрузки станции. Простейшим в конструктивном отношении генератором является самовозбуждающийся асинхронный генератор. Он представляет собой трёхфазную асинхронную машину с короткозамкнутым ротором и подключёнными параллельно к её статорным обмоткам конденсаторов. Особенностью асинхронного генератора является то, что для его работы требуется реактивная мощность, что усложняет и удорожает всю систему. Но асинхронный генератор со статорным самовозбуждением имеет ряд положительных свойств: простотой, дешевизной, надёжностью, бесконтактностью характерных для машин с короткозамкнутым ротором. Возбуждение осуществляется с помощью конденсаторов, подключённых параллельно статорным обмоткам. [3]

Конденсаторы возбуждения у асинхронного генератора выполняют роль фильтров, отсекающих высшие гармоники выходного напряжения, что способствует исчезновению биений напряжений и длительных переходных процессов и позволяет получить идеальное синусоидальное выходное напряжение АГ. Наличие короткозамкнутого ротора у асинхронного генератора положительно сказывается на качестве электроэнергии при несимметричных нагрузках. Асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором практически не греется, поэтому его корпус закрыт, что позволяет исключить попадание пыли и влаги. Асинхронные генераторы обладают более высокой надёжностью и простотой конструкции, стоимость асинхронных машин в 1,5 – 2 раза меньше синхронных, вес – в 11,3 – 1,4 раза меньше, что позволяет возможность широкого применения их в микроГЭС.

Рис.1. Электрическая схема микроГЭС:
АГ – асинхронный генератор; ГТ – гидротурбина; с – конденсаторные батареи; РБН – регулятор балластной нагрузки; R_б – балластная нагрузка.

Исследование различных режимов работы оборудования при различных характеристиках генератора возможно с помощью компьютерной модели микроГЭС и электрической схемы представленной на рис.1.

Рис.2. Компьютерная модель микроГЭС с асинхронным генератором.

Компьютерная модель микроГЭС (рис.2) содержит следующие элементы: автобалластную нагрузку (ABN), блок нагрузки и конденсаторов возбуждения (RCN), асинхронный генератор (AG) и гидротурбину (GT).

Результаты исследования качества электроэнергии показывают, что при автобалластном регулировании нагрузки отклонение напряжения не превышает 4,5%, а частоты 1,8 Гц (рис. 3, рис. 4). При отсутствии нагрузки частота и напряжение равны номинальным значениям.

Рис.3. Отклонение линейного напряжения U_л от номинального в зависимости от мощности нагрузки

Рис.4. Отклонение частоты генератора f от номинального в зависимости от мощности нагрузки

Одним из факторов, оказывающих существенное влияние на отклонение величины и характера эквивалентной нагрузки от номинальных значений напряжения и частоты генерируемой электроэнергии, является величина балластного сопротивления. [4]

Наиболее характерными для оценки качества регулирования параметров микроГЭС является режим холостого хода, когда станция работает только на R_б, и режимы близкие к 50% нагрузке. Величина балластного сопротивления выбирается из соображения равенства активной мощности в номинальном режиме и режиме холостого хода.

Выводы. Переменная величина полезной активно-индуктивной нагрузки вызывает изменение коэффициента мощности эквивалентной нагрузки от cos φ_н = 0,8 до cos φ_б = 1,0. Так как величина возбуждающих ёмкостей генераторов во всех режимах остаётся неизменной, токи генераторов в режиме холостого хода возрастают более чем на 20% по сравнению с номинальными. Для ограничения токовых перегрузок якорных обмоток генераторов, работающих на активно-индуктивную нагрузку, целесообразно уменьшать загрузку машин в номинальном режиме на 15-20%, такая величина балластного сопротивления должна выбираться на 20-25% больше номинального сопротивления полезной нагрузки. [4]

Анализ режимов работы станций с асинхронными генераторами позволяют сделать следующие выводы:

• Распределение нагрузки между генераторами электростанций зависит от значений коэффициентов саморегулирования приводных гидротурбин и диапазона изменения эквивалентной нагрузки станций;
• Погрешность стабилизации напряжения асинхронных генераторов определяется отклонением эквивалентной нагрузки от номинальных значений.